Verfahren, Vorrichtung und System zur Erfassung von Straßenschäden

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren sowie eine neuartige Vorrichtung und ein neuartiges System zur Erfassung von Straßenschäden. Straßenschäden sind ein allgegenwärtiges Problem öffentlicher und privater Straßen. Sie entstehen aufgrund der Belastung durch Verkehr und Witterungseinflüsse sowie durch Materialalterung, mitunter auch aufgrund mangelhafter Bauausführung. Straßenschäden können zu jeder Jahreszeit und unter verschie- densten klimatischen Bedingungen auftreten; wie wohlbekannt ist verursacht Hitze (insbesondere, aber nicht nur im Zusammenhang mit der Belastung durch Schwerverkehr) ebenso Schäden wie Kälte und/oder die Einwirkung von Wasser (z.B. durch Unterspülung) .

Eigentümer von Straßen sind daran interessiert, die Straßen in einem guten Zustand zu erhalten, um deren Benutzbarkeit sicherzustellen und durch Sanierung kleinerer Schäden die Entstehung größerer Schäden zu vermeiden. Die Ermittlung des Straßenzustands ist daher ein zentrales Problem für Eigentümer von Straßen, das bislang manuell gelöst wird: ein Beschäftigter befährt oder begeht die zu untersuchende Straße und erfasst eine Beschädigung nach Ort, Art und Schwere. Moderne Systeme erleichtern diese Aufgabe, indem die Beschädi- gung in einem mobilen Datenverarbeitungsgerät erfolgt, das mit einem Geolokalisationssystem wie z.B. GPS ausgestattet ist und bei der Erfassung eines Schadens den Ort automatisch ermittelt und zur Verfügung stellt. Dieses bekannte Verfahren ist jedoch mit hohem Personalaufwand verbunden und entsprechend teuer. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung und ein System zur automatischen Erfassung von Straßenschäden anzugeben. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erfassung von Straßenschäden, bei dem zunächst die zu untersuchenden Straßenabschnittes mit einem Fahrzeug abgefahren werden, das eine fahrzeugmontierbare Vorrichtung mit zumindest einem Beschleunigungssensor sowie Mitteln zur Ortsbestimmung auf- weist. Während der Fahrt wird ein Beschleunigungsprofil er- fasst, indem zeit- oder ereignisgesteuert jeweils der/die von dem oder den Beschleunigungssensor (en) ausgegebenen aktuellen Beschleunigungswert (e) und die aktuellen Ortsinformationen einander zuordenbar lokal gespeichert werden. Alternativ kann vorgesehen werden, dass diese Informationen in Echtzeit z.B. über eine mobile Datenverbindung an einen zentralen Server übertragen und dort gespeichert werden. Das Beschleunigungs- profil wird entweder nach Abschluss der Fahrt oder bereits während der Fahrt analysiert und die Orte von Straßenschäden werden ermittelt, indem aus dem Beschleunigungsprofil fortlaufend Ausschnitte ausgewählt werden und die die Abfolge von Beschleunigungswerten dieser Ausschnitte mit zumindest einem schadensspezifischen Beschleunigungsprofil verglichen werden. Kommt es zu einer annähernden Übereinstimmung, werden die der Abfolge zugeordneten Ortsinformationen als Ort eines Straßenschadens ausgegeben.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zusätzlich die Straßenschadensart ermittelt wird, indem jeder Straßenscha- densart ein schadensspezifisches Beschleunigungsprofil zugeordnet ist und bei Übereinstimmung der Abfolge von Beschleunigungswerten des jeweiligen Ausschnitts aus dem Beschleunigungsprofil mit einem bestimmten schadensspezifischen Beschleunigungsprofil die zugeordnete Straßenschadensart ausge- geben wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden zunächst mehrere den gleichen zu untersuchenden Straßenabschnitt be- treffende Beschleunigungsprofile erfasst und miteinander kombiniert werden und anschließend das kombinierte Beschleunigungsprofil ausgewertet wird. Vorteilhaft wird als fahrzeugmontierbare Vorrichtung preiswerte Standardhardware verwendet, beispielsweise ein

Smartphone mit integriertem Beschleunigungssensor und GPS- Empfänger . Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass die Erfassung von Straßenschäden automatisch während der Fahrt erfolgt und keinen manuellen Eingriff oder die manuelle Begutachtung von Schäden erfordert . Vielmehr kann anhand des Beschleunigungsverlaufs die Art eines Schadens (Absenkung, Aufwölbung, Loch) , das Ausmaß des Schadens (Höhe/Tiefe) und der Ort des Schadens präzise ermittelt werden, ohne dass der Fahrer des jeweiligen Fahrzeugs tätig werden oder über besondere Kenntnisse verfügen muss. Damit eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere für den Einsatz auf Fahrzeugen, die im Auftrag des Straßeneigentümers ohnehin ständig im Einsatz sind (im Fall öffentlicher Straßen z.B. Polizeistreifenwagen, kommunale Entsorgungs- oder Straßenreinigungsfahrzeuge) . Die Erfindung betrifft ferner ein System, eine vorzugsweise fahrzeugmontierbare Vorrichtung und ein Computerprogrammprodukt zur Erfassung von Straßenschäden.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Er- findung detailliert beschrieben.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Fahrzeuge mit handelsüblichen Smartphones ausgerüstet, die über Beschleunigungssensoren und GPS-Empfänger verfügen. Da- bei werden bevorzugt Fahrzeuge ausgewählt, die ohnehin auf dem gesamten zu untersuchenden Straßennetz verkehren, also beispielsweise Streifenwagen der Polizei oder kommunale Entsorgungs- oder Straßenreinigungsfahrzeuge. Smartphones sind mittels handelsüblicher Halterungen mit wenig Aufwand in einem Fahrzeug so montierbar (beispielsweise senkrecht) , dass verlässliche Messungen durchgeführt werden können. Mit Hilfe der Beschleunigungssensoren lassen sich während der Fahrt Fahrbahnschäden wie z.B. Schlaglöcher erfassen und mit Hilfe der permanent ermittelten GPS-Position auch ohne weiteres verorten. Auch die Art und die Schwere der Beschädigung können durch Verlauf und Stärke der Erschütterung beurteilt werden.

Da sowohl Speicherkapazität als auch Rechenleistung bei modernen Smartphones in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen, kann in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung die gesamte Auswertung der erfassten Daten lokal durch eine im Einklang mit der vorliegenden Erfindung programmierte App, die auf dem Smartphone abläuft, erfolgen, und zwar entweder in Echtzeit oder nach Beendigung der Fahrt. In diesem Ausführungsbeispiel werden durch die App nur die ermittelten Schä- den (Art, Stärke, Ort) an einen zentralen Server gemeldet.

Alternativ kann vorgesehen werden, dass die App nur die Daten erfasst und entweder in Echtzeit über eine mobile Datenverbindung oder nach Abschluss der Fahrt drahtlos oder drahtge- bunden an einen zentralen Server übermittelt. Die Auswertung der erfassten Daten (Ermittlung und Verortung von Straßenschäden) übernimmt dann zentral, z.B. durch ein entsprechendes Anwendungsprogramm, das auf dem zentralen Server läuft. Dieses Anwendungsprogramm kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung so programmiert sein, dass weitere Beschleunigungsprofile des gleichen Straßenabschnitts vor der Durchführung der Auswertung miteinander kombiniert oder miteinander verglichen werden, um während einer bestimmten Fahrt aufgetretene Fehler in der Datenerfassung vor der Verarbeitung zu eliminieren. In einer weiteren Ausgestaltung kann das mit einem bestimmten Fahrzeug erzeugte Beschleunigungsprofil zunächst normalisiert werden, indem spezifische Eigenschaften des Fahrzeugs wie Masse, Federeigenschaften, Anbringungsort der Erfassungsvor- richtung usw. zu einem Normalisierungsprofil zusammengefasst und mit dem Beschleunigungsprofil verknüpft werden, bevor die Auswertung durchgeführt wird. Diese Normalisierung hat den Vorteil, dass Beschleunigungsprofile verschiedenster Fahrzeuggattungen vor der Auswertung miteinander kombiniert und/oder verglichen werden können und die Qualität der Auswertung verbessert wird.

Durch Zusammenfassung der Daten aller teilnehmenden Fahrzeuge entsteht so aus den Schadens-Ort-Datensätzen automatisch und ohne manuellen Eingriff ein Straßenzustandsatlas, der für die Planung und Durchführung von Straßensanierungsmaßnahmen verwendet werden kann.

Um das Beschleunigungsprofil zu erstellen, wird der Beschleu- nigungssensor des Smartphones abgefragt und (nahezu) zeitgleich die GPS-Position ermittelt. Der aktuelle Beschleunigungswert und die aktuelle GPS-Position werden als ein Datensatz lokal oder zentral gespeichert. Natürlich kann vorgesehen sein, dass mehrere bzw. zusätzliche Beschleunigungssensoren im oder am Fahrzeug angebracht werden, um die Qualität der Beschleunigungsmessung zu verbessern . Ferner kann vorgesehen sein, dass die Beschleunigungswerte nur während der Fahrt aufgezeichnet werden, damit Erschütterungen, die durch das Be- oder Entladen des Fahrzeugs oder das Zuschlagen von Türen verursacht werden, das Ergebnis nicht verfälschen.

Die Erfassung von Beschleunigungswerten und zugeordneten GPS- Koordinaten kann dabei zeitgesteuert erfolgen, z.B. indem Datensätze in festen Zeitabständen erzeugt werden. Diese Zeit- abstände können geschwindigkeitsabhängig gewählt werden (z.B. kürzere Zeitabstände bei höheren Geschwindigkeiten) , damit sich die Ortsauflösung des Messverfahrens nicht mit steigender Geschwindigkeit verschlechtert. Die Datenerfassung kann aber auch ereignisgesteuert erfolgen, beispielsweise indem nur Beschleunigungswerte, die einen bestimmten Schwellwert übersteigen, zur Erzeugung und Speicherung eines Datensatzes genutzt werden. Das ermittelte Beschleunigungsprofil wird vorteilhaft ausgewertet, indem (z.B. mittels einer Fensterfunktion) fortlaufend geeignete Ausschnitte ausgewählt werden und die die Abfolge von Beschleunigungswerten dieser Ausschnitte mit schadensspezifischen Beschleunigungsprofilen verglichen werden. Verschiedenen zu erfassenden Schäden sind dabei jeweils für diesen Schaden spezifische Beschleunigungsprofile zugeordnet. Eine Fahrbahnaufwölbung beispielsweise weist ein anderes schadensspezifisches Beschleunigungsprofil (beispielsweise einen anderen Beschleunigungs-Zeit-Ablauf) auf als ein

Schlagloch. Kommt es zu einer annähernden Übereinstimmung des Ausschnittes der Beschleunigungswerte mit einem der Profile, werden die zugeordneten Ortsinformationen als Ort eines Straßenschadens ausgegeben. Vorteilhaft werden gleichzeitig die Art des Straßenschadens sowie die Stärke ermittelt.

Eine Möglichkeit, eine annähernde Übereinstimmung des Messwertverlaufes mit einem der schadensspezifischen Beschleunigungsprofile festzustellen, besteht darin, den Messwertverlauf zu normieren und anschließend mit dem schadensspezifi - sehen Beschleunigungsprofil zu vergleichen, wobei eine Abweichung zwischen Messwertverlauf und Profil, die im Mittel einen Schwellwert nicht übersteigt, die Feststellung einer Übereinstimmung nicht verhindert. Hiermit lässt sich die Art des Schadens feststellen. Die Schwere des Schadens kann bei- spielsweise aus dem höchsten auftretenden Beschleunigungswert abgeleitet werden. Natürlich ist es möglich, mit einem einfachen schadensspezifischen Beschleunigungsprofil zu operieren - dieses weist dann beispielsweise nur einen Absolutwert der vertikalen Beschleunigung auf, dessen Überschreitung als Schaden gewertet wird.

Handelsübliche Beschleunigungssensoren weisen eine Abtastrate von mehr als 1000 Hz auf. Diese Abtastrate ist für die hier beschriebene Erfassung von Straßenschäden ausreichend, wie folgende beispielhafte Rechnung zeigt: bei einer Messfahrt mit einer maximalen Geschwindigkeit von 100 km/h (dies entspricht 27 m/s) wird ein Schlagloch mit einer Länge von 10 cm von einem Rad in 1/270 s passiert. Die Abtastung muss dann (wegen des Nyquist-Shannon-Abtasttheorems) mit einer Abtast- rate von mindestens 540 Hz erfolgen, was weit unter der Abtastrate der handelsüblichen Sensoren liegt. Mit anderen Worten sind handelsübliche Beschleunigungssensoren, wie sie in Smartphones regelmäßig verbaut werden, für die Anwendung im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ohne weiteres ge- eignet.

Dies führt vorteilhaft dazu, dass handelsübliche und (im Vergleich zu spezieller Hardware) preiswerte Smartphones mit einer gemäß der vorliegenden Erfindung programmierten App ein- gesetzt werden können, um den Straßenzustand zu vermessen und Straßenschäden zu erfassen.

Damit ist die Lösung gut skalierbar und es wird kein Personal benötigt, dessen Aufgabe allein die Erfassung von Straßen- Schäden ist. Vielmehr erfolgt die Erfassung der Straßenschäden gewissermaßen als Beiprodukt ohnehin stattfindender Fahrten und ist daher auch unter ökologischen Gesichtspunkten von Vorteil . Alle vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen und Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung von Straßenschäden lassen sich alternativ auch als vergleichsweise kleine, spezielle Hardware implementieren. Die Einrichtung der Vorrichtung und das Auslesen der gesammelten Daten kann dann vorteilhaft mittels eines PCs vorgenommen werden, mit dem die Vorrichtung (drahtlos z.B. per Bluetooth oder drahtgebunden z.B. per USB) zwecks Einrichtung und Datenübertragung gekop- pelt wird. Die Vorrichtung benötigt nicht notwendigerweise Ausgabemittel, da während der Messfahrten keine Nutzerinteraktionen erforderlich sind.

Die bevorzugte Ausgestaltung ist allerdings die bereits er- wähnte Realisierung als Software-Applikation ("App") für

Smartphones oder Tablets: Smartphones und Tablets sind weitverbreitete Geräte, die über alle notwendigen Sensoren (Beschleunigungssensor, GPS-Empfänger) und über Drahtloskommuni - kationsmittel wie WLAN, Bluetooth und Mobilfunkschnittstellen sowie ausreichend Speicher und Prozessorleistung verfügen und per App frei programmierbar sind.

Die Implementierung der vorstehend beschriebenen Prozesse oder Verfahrensabläufe kann anhand von Instruktionen erfol- gen, die auf computerlesbaren Speichermedien oder in flüchtigen Computerspeichern (im Folgenden zusammenfassend als computerlesbare Speicher bezeichnet) vorliegen. Computerlesbare Speicher sind beispielsweise flüchtige Speicher wie Caches, Puffer oder RAM sowie nichtflüchtige Speicher wie Wechselda- tenträger, Festplatten, usw.

Die beschriebenen Funktionen oder Schritte können dabei in Form zumindest eines Instruktionssatzes in/auf einem computerlesbaren Speicher vorliegen. Die Funktionen oder Schritte sind dabei nicht an einen bestimmten Instruktionssatz oder an eine bestimmte Form von Instruktionssätzen oder an ein bestimmtes Speichermedium oder an einen bestimmten Prozessor oder an bestimmte Ausführungsschemata gebunden und können durch Software, Firmware, Microcode, Hardware, Prozessoren, integrierte Schaltungen usw. im Alleinbetrieb oder in beliebiger Kombination ausgeführt werden. Dabei können verschiedenste Verarbeitungsstrategien zum Einsatz kommen, beispielsweise serielle Verarbeitung durch einen einzelnen Prozessor oder Multiprocessing oder Multitasking oder Parallelverarbeitung usw.

Die Instruktionen können auf lokalen Speichern abgelegt sein, es ist aber auch möglich, die Instruktionen auf einem entfernten System abzulegen und darauf via Netzwerk zuzugreifen.

Der Begriff "Prozessor", wie hier verwendet, umfasst Verarbeitungseinheiten im weitesten Sinne, also beispielsweise Server, Universalprozessoren, Grafikprozessoren, digitale

Signalprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) , programmierbare Logikschaltungen wie FPGAs, diskrete analoge oder digitale Schaltungen und beliebige Kombinationen davon, einschließlich aller anderen dem Fachmann bekannten oder in Zukunft entwickelten Verarbeitungseinheiten. Prozessoren können dabei aus einer oder mehreren Vorrichtungen bestehen. Besteht ein Prozessor aus mehreren Vorrichtungen, können diese zur parallelen oder sequentiellen Verarbeitung von Instruktionen konfiguriert sein.

Die vorstehende Beschreibung stellt nur die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und soll nicht als Definition der Grenzen und des Bereiches der Erfindung dienen. Alle gleichwertigen Änderungen und Modifikationen gehören zum Schutzbereich dieser Erfindung.